Оптимизация рабочих характеристик электрографических фоторецепторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Коннов, Филипп Юрьевич

• Коннов, Филипп Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коннов, Филипп Юрьевич

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Оптимизация параметров системы фоторецептор - проявитель.

1.1. Основные принципы электрофотографического способа печати.

1.1.1 Стадии электрофотографического процесса.

1.1.2. Основные принципы эффекта фотопроводимости.

1.1.3. Требования к фотопроводникам, используемым 19 в фоторецепторах.

1.1.4. Виды фотопроводников, используемых 21 в фоторецепторах.

1.2. Анализ параметров системы фоторецептор - проявитель.

1.2.1 Уравнение проявления.

1.2.2. Определение нормальной составляющей поля СЭИ.

1.2.3. Фотогенерация свободных носителей заряда.

1.3. Построение теоретической модели системы фоторецептор - прояви- 30 тель и оптимизация ее параметров.

1.3.1 Обоснование выбора модели и критерия оптимизации.

1.3.2 Анализ параметров модели и выбор граничных значений 37 оптимизации.

1.3.3 Результаты оптимизации и их обсуждение.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методика проведения эксперимента

2.1 Изготовление образцов и методика измерений.

2.2. Анализ экспериментальных данных и их сопоставление с расчетными 49 значениями.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Предельные характеристики электрофотографических фоторецепторов

3.1 Оценка предельных значений некоторых важнейших характеристик 53 фоторецепторов.

3.1.1 Определение теоретически предельной разрешающей 53 способности фоторецептора

3.1.2 Экспериментальное измерение разрешающей способности 59 и времени жизни зарядовой решетки в органических фотопроводниках.

3.2 Исследование характеристик органических фотопроводников, обла- 65 дающих фоторефрактивными свойствами в ИК-диапазоне.

3.1.1 Цели и объекты исследования.

3.1.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение.

Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация рабочих характеристик электрографических фоторецепторов»

Электрофотография - это метод получения изображения, основанный на фотоэлектрических явлениях в высокоомных полупроводниках и на взаимодействии электростатических зарядов в диэлектрических средах. Суть метода состоит в образовании электростатического рельефа на поверхности заряженного слоя фотопроводника под воздействием излучения и последующем проявлении полученного электростатического изображения заряженными частицами пигментного порошка - тонера.

В отличие от других технологий получения изображения электрофотография имеет ряд преимуществ, важнейшие из которых заключаются в стоимости, качестве и оперативности. Практически во всех копировальных аппаратах используется принцип электрофотографии. В офисных и настольных компьютерных системах электрофотография является основным способом печати, а разнообразные электрофотографические устройства -копиры, факсимильные аппараты, принтеры - занимают неотъемлемую часть в повседневной жизни. Обладая способностью реализовать принцип «печати по требованию», цифровые печатные машины, также использующие электрофотографический метод печатания, существенно повлияли на развитие как оперативной малотиражной печати, так и полиграфической отрасли в целом.

Актуальность исследования. Высокие темпы развития рынка оперативной полиграфии и персонализированной печатной продукции в последнее десятилетие определяют стабильный высокий интерес к электрофотографическим печатающим устройствам во всем мире. Как известно, ключевую роль в электрофотографическом процессе играет скрытое электростатическое изображение (СЭИ), образованное на поверхности фоторецептора. Ввиду того, что электрофотографический процесс является многопараметрическим, встает вопрос об оптимизации этих параметров с целью наиболее полной реализации возможностей электрофотографии и получения изображения максимально высокого качества.

Известна работа [36], в которой оптимизировался весь электрографический процесс, начиная от стадии экспонирования фоторецептора и кончая получением тонерного изображения. К сожалению, полученные результаты получились малоинформативными. Во-первых, зависимость эффективности образования свободных носителей заряда из фотогенериро-ванных электрон-дырочных пар от величины электрического поля бралась в виде степенной функции, что соответствует только небольшому участку полной зависимости. Во-вторых, объединение при оптимизации абсолютно разнородных по природе процессов образования скрытого электростатического изображения (СЭИ) и тонерного проявления привело к тому, что оптимизированные значения параметров, в основном, совпадали с заданными граничными значениями этих параметров.

В настоящее время свойства скрытого изображения и механизм его образования в неорганических фотопроводниках хорошо изучены и были описаны в работах [36], [37], [66] и др.

Однако, в последнее время широкое распространение получили двухслойные органические фоторецепторы, имеющие целый ряд преимуществ (относительная легкость изготовления, эластичность, высокий квантовый выход, возможность варьирования отдельных характеристик в широких пределах, не затрагивая остальные и др.) по сравнению с неорганическими фоторецепторами, но при этом электронные процессы в органических фотопроводниках существенно отличаются от аналогичных процессов в неорганических фотопроводниках.

Поэтому исследования, направленные на расширение существующих методов оптимизации параметров электрофотографического фоторецептора с учетом свойств новейших материалов являются актуальными для конструирования новых фоторецепторов с заранее заданными параметрами.

Цель диссертационной работы. Целью данной работы является оптимизация параметров фоторецептора в процессе образования СЭИ для получения максимальной величины проявляющего поля как основного параметра, определяющего качество конечного тонерного изображения, а также количественная оценка предельных значений характеристик электрофотографического метода. При этом основное внимание уделяется рассмотрению и учету зависимости квантового выхода генерации свободных * носителей заряда от величины электрического поля, изменяющейся в максимально широких пределах.

Данная цель достигается решением следующих задач:

1. Создание математической модели проявляющего поля.

- Определение параметров системы фоторецептор - проявитель, влияющих на величину нормальной составляющей проявляющего поля.

- Нахождение математической зависимости нормальной составляющей проявляющего поля от найденных параметров.

- Анализ степени влияния каждого параметра на величину проявляющего поля.

- Определение граничных условий для каждого параметра.

- Максимизация величины нормальной составляющей проявляющего поля с учетом выбранных граничных условий.

2. Экспериментальная проверка модели.

- Изготовление образцов двухслойного фоторецептора.

- Измерение фотоиндуцированных разрядных кривых образца и сравнение с расчетной зависимостью.

3. Определение предельных значений характеристик фоторецепторов.

- Анализ связи характеристик двухслойных фоторецепторов с физико-химическими процессами, определяющими работу фоторецептора.

- Расчет предельных значений характеристик фоторецепторов и экспериментальная проверка расчетных значений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Оптимизированы рабочие параметры электрофотографических фоторецепторов с учетом специфической для органических систем зависимости эффективности фотогенерации свободных носителей заряда в генерационном слое фоторецептора от величины электрического поля.

На основе анализа физико-химических процессов определены предельные характеристики электрофотографического метода печати: разрешающая способность изображения, время жизни скрытого электростатического изображения, скорость печати электрофотографическим методом.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации методика оптимизации позволяет еще на этапе проектирования определять основные характеристики фоторецептора. Проведенная оценка предельных характеристик электрофотографии как метода печати позволяет очертить границу его применения и обозначить дальнейшие перспективы развития.

Публикации. По тематике работы опубликованы 7 научных статей, включая тезисы докладов на трех международных научно-технических конференциях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на трех международных конференциях: "Printing Technology SPb'06", 33rd International Research Conference "Advances in Printing and Media Technology" IAIGAI Leipzig 2006, IV Российско-Французский симпозиум «Супра-молекулярные системы в химии и биологии», конференциях молодых ученых МГУП, заседаниях кафедры Техника и технологии цифровой печати МГУП, семинарах лаборатории «Электронные и фотонные процессы в полимерных наноматериалах» ИФХЭ РАН.

Положения, выносимые на защиту

1. Квантовый выход образования в транспортном слое фоторецептора свободных носителей заряда и его зависимость от величины электрического поля являются основными параметрами, определяющими характеристики скрытого электростатического изображения на фоторецепторе.

2. Анализ физико-химических процессов, протекающих в фоторецепторе при его работе, дает возможность оптимизировать характеристики фоторецептора с целью получения максимальных значений определенных параметров скрытого электростатического изображения.

3. Определение предельных характеристик скрытого электростатического изображения позволяет заключить, что существует возможность существенного улучшения таких характеристик, как передача мелких деталей при печати и скорость получения электрофотографических изображений.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Коннов, Филипп Юрьевич

Выводы по главе 3

1. Были оценены предельные значения разрешающей способности и скорости работы органического фоторецептора с типичными параметрами. При этом оценочные данные предельной разрешающей способности совпали с экспериментально измеренным периодом зарядовой решетки в слое фото-рефрактивного полимерного композита, близкого по составу к используемому в фоторецепторах.

2. Показано, что в композитах из ПВК и КиРс(СО)(МеОН) за фотоэлектрическую чувствительность при 1064 нм, нелинейно-оптические и, следовательно, фоторефрактивные свойства ответственны супрамолекулярные ансамбли комплексов 11и(П).

3. Путем аппроксимации уравнения Онзагера к измеренной полевой зависимости квантовой эффективности образования подвижных носителей заряда оценено, что квантовый выход электрон - дырочных пар в композите в присутствии ферроцена составляет щ - 0,01 и около 0,001 в его отсутствие, в обоих композитах начальный радиус разделения зарядов в паре составляет г0= 9.8 ангстрем.

4. В композите из ПВК, ЯиРс(СО)(МеОН) (5 мас.%) и Фц (20 мас.%) коэффициент двухлучевого усиления при увеличении приложенного поля от 75 В/мкм до 166 В/мкм растет от Г = 30 см'1 до 90 см"1. Эти значения коэффициента усиления ограничены малым фазовым сдвигом между дифракционной и интерференционной решетками (Г~ бш^). Оценено, что при комнатной температуре фазовый сдвиг имеет небольшую величину, у/ = -4.3°, что связано, по-видимому, лишь с небольшим превышением дырочной подвижности над электронной. Измерено при поле Е0= 105 В/мкм, что увеличение отношения интенсивности накачивающего луча к сигнальному от 1 до 6 приводит к увеличению коэффициента двухлучевого усиления от Г= 40 до 75 см"'.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие обобщенные выводы:

1. Практически во всех фоторецепторах, используемых в настоящее время, свободные носители заряда образуются из изолированных электрон-дырочных пар в результате диссоциации этих пар в электрическом поле.

2. Использование теоретических представлений о процессе генерации свободных носителей заряда позволяет комплексно оптимизировать основные параметры системы фоторецептор - проявитель: толщина слоя фоторецептора, толщина зоны проявления, диэлектрическая постоянная проявителя, ширина штриха изображения, потенциал зарядки фоторецептора, экспозиция, длина волны экспонирующего излучения.

3. Фундаментальные процессы, протекающие в фоторецепторе, - фотогенерация носителей заряда и их подвижность - определяют его основные параметры и предельные характеристики: разрешающую способность, скорость работы, спектральный диапазон чувствительности, время жизни СЭИ.

4. Анализ расчетных и экспериментальных результатов, приведенных в работе, показывает, что рабочие характеристики современных электрофотографических аппаратов ниже предельных значений и имеется возможность их существенного улучшения (за счет использования более мощных источников экспонирования, наноразмерных частиц тонера и т.д.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коннов, Филипп Юрьевич, 2007 год

1. Ackley at al. Пат. США 6 180 305

2. Bockrath М., Hone J., Zettl A., McEuen P.L., Rinzler A.G. and Smalley R.E.2000 Phys. Rev. В 61 - R10606

3. Borsenberger P.M., Gruenbaum W.T., Magin E.H. // Phys. Status Solidi В -1995-v. 190-p. 555-559.

4. Borsenberger P.M., Gruenbaum W.T., Magin E.H. // Physica В 1996 -v. 228-p. 226-229.

5. Borsenberger P.M., Magin E.H., Van der Auweraer M., De Schryver F.C. // Phys. Status Solidi A 1993 - v. 140 - p. 9-28.

6. Borsenberger P.M., Weiss D.S. Organic Photoreceptors for Imaging Systems New York: Marcel Dekker, 1998, - 468 p.

7. Carlson Ch. Пат. США 2 221 776

8. Carlson Ch. Пат. США 2 297 691

9. Enakieva Yu.Yu., Gorbunova Yu.G., Sakharov S.G., and Tsivadze A. Yu. // Zh. Neorg. Khim 2002 - 47 - p. 966

10. Frankevich E., Yusuke N., Akihiko F., Masanori O., and Katsumi Y. // Physical Review В 2002 - v. 66 - p. 155203

11. Galmiche L., Mentec A., Pondaven A., and L'Her M., // New J. Chem.2001 -25 (11)-p. 1148

12. Heun S., Borsenberger P.M. // Chem. Phys. 1995 - v. 200 - p. 245-249.

13. Hortke J L and Regensburger P J // Phys Rev A 139 - p. 970

14. Jeadev S., Damodar M. // J. of Imaging Science and Technology 1996 -V. 40-N4.-P. 327-331.

15. Kong J., Yenilmez E., Tombier T.W., Kim W., Dai H., Laughlin R.B., Liu L., Jayanthi C.S. and Wu S.U. // Phys. Rev. Lett. 87 - p. 106806

16. Kryukov A.Y., Saidov A.C., Vannikov A.V. // Thin Solid Films 1992 -v.209 - No 1 - p. 84-86.

17. Lampert M.A. and Mark P. // Current Injection in Solids 1970 - New York Academic

18. Liang W., Bockrath M., Bozovic D., Hafner J.H., Tinkham M. and Park H. // Nature-411 p. 665

19. Licea-Jimenes L., Grishina A.D., Pereshivko L.Ya., Krivenko T.V., Savelyev V.V., Rychwalski R.W. and Vannikov A.V. // Carbon 2006 - 44 - p. 113

20. Martel R., Schmidt T., Shea H.R., Hertel T. and Avouris P. // Appl. Phys. Lett.- 1998-v.73-p. 2447

21. Mozumder A // J. Chem. Phys. 1974, 1974a - 60 - 4300, 4305

22. Novikov S.V. // Proc. SPIE 2000 - v. 4104 - p. 84-91.

23. Novikov S.V. // Proceedings of the 15th International Conference on Digital Printing Technologies 1999 - p. 683-688.

24. Novikov S.V. and Vannikov A.V. // J. Phys. Chem., 1995, v. 99, p. 1457314574.

25. Novikov S.V., Dunlap D.H., Kenkre V.M. // Proc. SPIE 1998 - v. 3471 -p. 181-186.

26. Novikov S.V., Dunlap D.H., Kenkre V.M., Parris P.E., Vannikov A.V. // Phys. Rev. Lett. 1998 - v. 81 - p. 4472-4475.

27. Pai D.M. and EnckR.C. //Phys. Rev. 1975 - Vol. B 12, - p. 5168

28. Pai M. at al. naT. CI1IA 6 027 848

29. Park J.Y., Rosenblatt S., Yaish Y., Sazonova V, Üstünel H, Braig S, Arias T A, Brouwer P W and McEuen P L 2004 Nano Lett. 4 - p. 517

30. Pavlisko J. at al. Пат. США 5 232 800

31. Rajagopal R., Chen J. and Liu H. // Appl. Phys. Lett.- 2003 83 - p. 2928

32. Galmiche L., Mentec A., Pondaven A., and L'Her M. // New J. Chem. -2001 -25(11)-p. 1148.

33. Saito R., Fujita M., Dresselhaus G. and Dresselhaus M.S. // Appl. Phys. Lett.-60-p. 2204

34. Scharfe M. at al. Пат. США 6 245 475

35. Scharfe M. Electrophotography principles and optimization Letchwort Press - 1984-200 p.

36. Schein L. Electrophotography and development physics Morgan Hill California: Laplacian Press - 1996 - 355 p.

37. Scher H. and Montroll E.W. // Phys. Rev. 1975 - В12 - p. 2455

38. Sinicropi J.A., Cowdery-Corvan J.R., Magin E.H., Borsenberger P.M. // Chem. Phys. 1997 - v. 218 - p. 331-336.

39. Sugiuchi M., Nishizawa N. J. Imag. Sei. Technol. 1993 - v. 37 - p. 245249.

40. Tameev A.R., Ilyina I.G., Kozlov A.A., Vannikov A.V., Butin K.P., Mik-halev O.V. // Synth. Metals-2001 v. 121 - No. 1-3 - p. 1423-1424.

41. Tameev A.R., Kozlov A.A., Vannikov A.V. Chem. Phys. Lett. 1998 -v. 294-No.6-p. 605-610.

42. Tameev A.R., Kozlov A.A., Vannikov A.V., Lunina E.V., Berendyaev V.l., Kotov B.V. // Polymer International 1998 - v. 47 - No.2 - p. 198-202.

43. Tsivadze A.Yu., // Usp. Khim. 2004 - 73 (1) - p. 6

44. Vannikov A.V., Grishina A.D., Gorbunova Yu. G., et al. // Dokl. Akad. Nauk -2005 403 (4) - p. 489 Dokl. Phys. Chem. - 2005 - 403 (2) - p. 137.

45. Vannikov A., Grishina A., Shapiro B. et.al., Photorefractive Polyimides Containing J-Aggregates of Thiacarbocyanine Dye // Nonlinear Optics 2002 -29-No 1 -pp.7-18.

46. Vannikov A.V., Grishina A.D., Pereshivko L.Ya., Krivenko T.V., Rychwalski R.W., // International Conference on Digital Printing Technologies. Vancouver, Canada. Proceedings of NIP16 2000 - p. 141-144

47. Vannikov A.V., Konnov F.Yu. Optimization of Electrophotographic Photoreceptors // The International Conference "Printing Technology SPb'06". Conference proceedings book 2006 - p. 215 - 217

48. Vannikov A.V., Konnov F.Yu. Optimization of electrophotographic photoreceptors // Advances in Printing and Media Technology 2007 - Vol. XXXIII - p. 161-167

49. Yang R. at al. Пат. США 5 567 559

50. Yang R. at al. Пат. США 6 068 958

51. Yao Z, Kane С L and Dekker С // Phys. Rev. Lett. 84 - p. 2941

52. Yoshitomi T. at al. Пат. США 4 764 448

53. Авилов Г.В. Органическая электрофотографическая пленка М.: Искусство-1985 - 128 с.

54. Ванников А. В., Уарова Р. М. Электрофотография. Уч. пособие. М.: МГУП, 2000,- 127 с.

55. Ванников A.B., Гришина А.Д., Новиков C.B. // Усп. химии 1994 - т. 63 - № 2 - С. 103-123

56. Ванников A.B., Коннов Ф.Ю., Сосновый М.А., Гришина А.Д., Предельные характеристики электрофотографических фоторецепторов // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2006 - № 3. - С. 3 - 11.

57. Ванников A.B., Тамеев А.Р., Козлов A.A. // Высокомолек. соед. 1998 -т.40 - № 7 - С. 1164-1168.

58. Гренишин С.Г. Электрофотографический процесс М.: Наука - 1970 -376 с.

59. Коннов Ф.Ю. Использование полимерных фоторефрактивных материалов для оценки характеристик скрытого электростатического изображения // Вестник МГУП 2006-№ 6-С. 112-115

60. Уарова Р. М., Ванников А. В. Основы электрографии. Уч. пособие. М.: МГУП- 1999- 132 с.

61. Харин О., Сувейздис Э. Современная электрофотография. М.: МГУП, 2002,-316 с.

62. Харин О., Сувейздис Э. Электрофотография для цифровой печати М.: МГУП - 1999-438 с.

63. Шафферт Р. Электрофотография М.: Мир - 1968 - 448 с.